FR2706610A1 - Heat flow sensor and associated measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
Le domaine de la présente invention est celui des capteurs permettant de mesurer un flux thermique. The field of the present invention is that of sensors for measuring a heat flux.
Les capteurs de flux thermiques existant utilisent deux technologies différentes. Existing heat flow sensors use two different technologies.
On connaît ainsi les capteurs à résistances variables qui comprennent un élément thermomètrique (par exemple une mince couche de platine) déposé à la surface d'un élément calorimétrique (par exemple un bloc de silice). Ces capteurs présentent l'avantage d'avoir un faible temps de réponse, mais en revanche ils sont chers et fragiles et leur mise en oeuvre est complexe puisque le flux thermique est déterminé à partir d'une mesure de la résistance de l'élément thermomètrique (au moyen d'un pont de Wheatstone). Variable resistance sensors are thus known which comprise a thermometric element (for example a thin layer of platinum) deposited on the surface of a calorimetric element (for example a block of silica). These sensors have the advantage of having a short response time, but on the other hand they are expensive and fragile and their implementation is complex since the heat flux is determined from a measurement of the resistance of the thermometric element. (by means of a Wheatstone bridge).
On connaît également les capteurs à thermocouple qui comprennent un bloc d'un matériau bon conducteur thermique dans lequel est fixé un thermocouple. Thermocouple sensors are also known which comprise a block of a material which is a good thermal conductor in which a thermocouple is fixed.
Le thermocouple mesure la température du bloc, la variation de cette température en fonction du temps permet de déterminer le flux thermique appliqué. The thermocouple measures the temperature of the block, the variation of this temperature as a function of time makes it possible to determine the heat flux applied.
Un tel capteur présente l'inconvénient d'avoir un temps de réponse insuffisant, cela en raison de l'inertie thermique du bloc conducteur. Such a sensor has the disadvantage of having an insufficient response time, this due to the thermal inertia of the conductive block.
Ainsi il n'est pas possible avec un tel capteur de mesurer des flux thermiques émis au cours de phénomènes extrêmement brefs comme par exemple lors de l'initiation d'un inflammateur pyrotechnique (dont la durée de combustion est généralement inférieure à 10 millisecondes). Thus it is not possible with such a sensor to measure heat fluxes emitted during extremely brief phenomena such as for example during the initiation of a pyrotechnic igniter (whose combustion time is generally less than 10 milliseconds).
C'est le but de l'invention que de proposer un capteur de flux thermique qui soit robuste et bon marché et qui présente un temps de réponse extrêmement faible, lui permettant notamment de mesurer les flux thermiques générés par les composants pyrotechniques. It is the aim of the invention to propose a heat flow sensor which is robust and inexpensive and which has an extremely low response time, enabling it in particular to measure the heat flows generated by the pyrotechnic components.
Ainsi l'invention a pour objet un capteur de mesure d'un flux thermique comprenant deux conducteurs en matériaux de nature différente formant thermocouple, ce capteur est caractérisé en ce qu'il comporte une feuille d'épaisseur réduite réalisée en un matériau conducteur ou semiconducteur, et destinée à être mise en regard du flux thermique, chaque conducteur étant fixé en un point différent de la feuille qui constitue ainsi la soudure chaude du thermocouple. Thus, the subject of the invention is a sensor for measuring a heat flux comprising two conductors of materials of different nature forming a thermocouple, this sensor is characterized in that it comprises a sheet of reduced thickness made of a conductive or semiconductor material , and intended to be compared with the heat flux, each conductor being fixed at a different point on the sheet which thus constitutes the hot weld of the thermocouple.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la feuille a une épaisseur inférieure à un dixième de millimètre et peut avantageusement être réalisée en cuivre. According to other features of the invention, the sheet has a thickness of less than one tenth of a millimeter and can advantageously be made of copper.
D'une façon préférentielle, les conducteurs sont fixés à la feuille par soudure électrique. Preferably, the conductors are fixed to the sheet by electrical welding.
Ils pourront être constitués par un fil de Chromel et un fil d'Alumel. They can be made up of a Chromel wire and an Alumel wire.
La feuille présentera avantageusement une face avant noircie qui est destinée à être placée en regard du flux thermique à mesurer. The sheet will advantageously have a blackened front face which is intended to be placed opposite the heat flux to be measured.
Selon un mode particulier de réalisation, la feuille est disposée sur un lamage d'un boîtier réalisé en un matériau isolant thermique. According to a particular embodiment, the sheet is arranged on a counterbore of a housing made of a thermal insulating material.
Une rondelle réalisée en un matériau isolant thermique pourra être interposée entre la feuille et le boîtier. A washer made of a thermal insulating material may be interposed between the sheet and the housing.
Avantageusement, la feuille est fixée sur le boîtier ou la rondelle par l'intermédiaire d'une couche de résine silicone polymérisable. Advantageously, the sheet is fixed to the housing or the washer by means of a layer of polymerizable silicone resin.
L'invention a également pour objet un dispositif de mesure d'un flux thermique caractérisé en ce qu'il associe un capteur selon l'invention, une référence de température et un dispositif de mesure et d'enregistrement d'une tension électrique aux bornes des conducteurs. The subject of the invention is also a device for measuring a heat flux, characterized in that it combines a sensor according to the invention, a temperature reference and a device for measuring and recording an electrical voltage across the terminals. conductors.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels:
-la figure 1 représente en coupe axiale un capteur selon l'invention,
-la figure 2 est un schéma de raccordement du capteur selon l'invention à un dispositif de mesure,
-la figure 3 est un exemple de courbe d'enregistrement de températures mesurées avec le capteur selon l'invention. The invention will be better understood on reading the description which follows of a particular embodiment, description made with reference to the appended drawings and in which:
FIG. 1 represents in axial section a sensor according to the invention,
FIG. 2 is a diagram of the connection of the sensor according to the invention to a measuring device,
FIG. 3 is an example of a recording curve of temperatures measured with the sensor according to the invention.
En se reportant à la figure 1, un capteur 1 selon l'invention est constitué d'un boîtier 2, présentant une symétrie de révolution, et réalisé en un matériau isolant thermique par exemple en Durestos (marque déposée). Referring to Figure 1, a sensor 1 according to the invention consists of a housing 2, having a symmetry of revolution, and made of a thermal insulating material for example in Durestos (registered trademark).
Le boîtier 2 comporte au niveau d'une face avant 3 un perçage axial 4 ainsi qu'un lamage circulaire 5. The housing 2 has, at a front face 3, an axial bore 4 as well as a circular counterbore 5.
Le lamage 5 porte une rondelle isolante 6, réalisée par exemple en papier céramique, et qui est fixée au boîtier 2 au moyen d'une couche 7 d'une résine silicone polymérisable. The counterbore 5 carries an insulating washer 6, made for example of ceramic paper, and which is fixed to the housing 2 by means of a layer 7 of a polymerizable silicone resin.
Une feuille de cuivre 8 est fixée sur la rondelle isolante 6 au moyen d'une autre couche 9 d'une résine silicone polymérisable. A copper foil 8 is fixed to the insulating washer 6 by means of another layer 9 of a polymerizable silicone resin.
La feuille de cuivre a une épaisseur inférieure au dixième de millimètre. Une face avant 10 de la feuille de cuivre est destinée à être mise en regard d'un flux thermique représenté par la flèche F, cette face avant est noircie au moyen d'une peinture chargée de graphite afin de réduire son pouvoir réfléchissant et assurer une absorption thermique maximale. The copper sheet is less than a tenth of a millimeter thick. A front face 10 of the copper foil is intended to be placed opposite a heat flow represented by the arrow F, this front face is blackened by means of a paint loaded with graphite in order to reduce its reflecting power and ensure a maximum thermal absorption.
L'épaisseur réduite de la feuille ajoutée à sa bonne conductivité thermique permet d'obtenir un temps de réponse très réduit (de l'ordre de la milliseconde) ce qui permet la mesure des flux thermiques extrêmement brefs émis par des composants pyrotechniques. The reduced thickness of the sheet added to its good thermal conductivity makes it possible to obtain a very reduced response time (of the order of a millisecond) which allows the measurement of the extremely short thermal fluxes emitted by pyrotechnic components.
Résine et rondelle isolante ont pour fonction d'empêcher une diffusion de la chaleur reçue par la feuille vers le boîtier. On évite ainsi les pertes thermiques au niveau de la feuille, ce qui permet d'améliorer la précision du capteur. Resin and insulating washer have the function of preventing a diffusion of the heat received by the sheet towards the case. This avoids heat losses at the sheet, which improves the accuracy of the sensor.
La rondelle permet d'améliorer l'isolation thermique de la feuille vis à vis du boîtier. La résine facilite également le montage de la feuille d'épaisseur réduite sur le boîtier. Un tel montage est aussi rendu plus aisé par la rigidité de la rondelle isolante. The washer improves the thermal insulation of the sheet with respect to the housing. The resin also facilitates mounting of the reduced thickness sheet on the housing. Such mounting is also made easier by the rigidity of the insulating washer.
A titre de variante il est possible de fixer la feuille par collage sur le lamage 5 sans interposer une rondelle isolante. Il suffit pour cela que l'isolation thermique apportée par le boîtier soit suffisante. Alternatively it is possible to fix the sheet by gluing on the counterbore 5 without interposing an insulating washer. It suffices for this that the thermal insulation provided by the housing is sufficient.
Une face arrière 11 de la feuille 8 porte deux conducteurs 12 et 13 qui sont soudés à la feuille en des points différents C et D situés à distance l'un de l'autre. A rear face 11 of the sheet 8 carries two conductors 12 and 13 which are welded to the sheet at different points C and D located at a distance from each other.
La distance entre les points C et D est de l'ordre de quelques millimètres. Les conducteurs sont soudés électriquement par décharge capacitive, ce qui évite le recours à un matériau de brasage et assure une bonne jonction thermique entre les conducteurs et la feuille. The distance between points C and D is of the order of a few millimeters. The conductors are electrically welded by capacitive discharge, which avoids the need for a soldering material and ensures a good thermal junction between the conductors and the sheet.
Un tel type de soudure est également bien adapté à la fixation d'un conducteur sur une feuille d'épaisseur réduite. Une bonne jonction thermique entre les conducteurs et la feuille ajoute à la précision du capteur. Such a type of solder is also well suited to fixing a conductor on a sheet of reduced thickness. A good thermal junction between the conductors and the foil adds to the accuracy of the sensor.
Les conducteurs 12 et 13 sont réalisés en des matériaux de nature différente. Les métaux utilisés seront ceux utilisés habituellement dans les thermocouples standards, ainsi le conducteur 12 est réalisé en Chromel et le conducteur 13 en Alumel. The conductors 12 and 13 are made of materials of a different nature. The metals used will be those usually used in standard thermocouples, thus the conductor 12 is made of Chromel and the conductor 13 of Alumel.
L'ensemble formé par les conducteurs 12 et 13 et la feuille 8 est donc un thermocouple dont la soudure chaude est constituée par la feuille 8. L'épaisseur réduite de cette dernière ainsi que sa bonne conductivité thermique garantit une même température au niveau des points C et D. The assembly formed by the conductors 12 and 13 and the sheet 8 is therefore a thermocouple whose hot weld is formed by the sheet 8. The reduced thickness of the latter as well as its good thermal conductivity guarantees the same temperature at the points C and D.
La distance entre les points C et D sera choisie telle que la température soit la même au niveau de ces deux points compte tenu des dimensions géométriques du flux à mesurer. The distance between points C and D will be chosen such that the temperature is the same at these two points taking into account the geometric dimensions of the flux to be measured.
A titre d'exemple on pourra positionner les deux points C et D de façon symétrique par rapport au centre de la feuille, et on choisira une distance entre ces deux points supérieure ou égale à cinq fois le diamètre des fils constituant le thermocouple. By way of example, the two points C and D may be positioned symmetrically with respect to the center of the sheet, and a distance between these two points will be chosen to be greater than or equal to five times the diameter of the wires constituting the thermocouple.
On évite ainsi les problèmes rencontrés avec un thermocouple classique constitué de deux fils soudés l'un à l'autre par une extrémité. En effet cette soudure devrait être fixée sur la feuille et on risquerait lors de la fixation, d'une part de créer une surépaisseur locale de la feuille (ce qui fausse la mesure) et d'autre part de modifier les temps de réponse et la précision du capteur à cause du matériau de brasage utilisé pour la fixation. This avoids the problems encountered with a conventional thermocouple consisting of two wires welded to one another by one end. Indeed, this weld should be fixed on the sheet and there would be a risk during fixing, on the one hand of creating a local excess thickness of the sheet (which distorts the measurement) and on the other hand of modifying the response times and the accuracy of the sensor due to the soldering material used for fixing.
On choisira pour réaliser la feuille un matériau bon conducteur thermique, par exemple le Cuivre dont la conductivité thermique est de 393 W/m.K et dont la chaleur spécifique massique est de 384 J/Kg.K. To make the sheet, a good thermal conductor material will be chosen, for example copper, the thermal conductivity of which is 393 W / m.K and the specific heat of which is 384 J / Kg.K.
Le matériau sera également conducteur électrique ou semi conducteur afin d'autoriser la diffusion dans le matériau de la feuille de porteurs de charge électrique et l'établissement d'un champ électrique (effet Seebeck). The material will also be electrically conductive or semi-conductive in order to allow the diffusion in the material of the sheet of electric charge carriers and the establishment of an electric field (Seebeck effect).
Cette caractéristique permet à la feuille de jouer le rôle de soudure chaude dans le thermocouple constitué par les conducteurs 12 et 13. La bonne conductivité thermique permettant à cette "soudure" de ne pas modifier la tension mesurée aux bornes du thermocouple (effet Thomson). This characteristic allows the sheet to play the role of hot solder in the thermocouple constituted by the conductors 12 and 13. The good thermal conductivity allowing this "solder" not to modify the voltage measured across the thermocouple (Thomson effect).
Le fonctionnement de ce capteur va maintenant être décrit en référence à la figure 2. The operation of this sensor will now be described with reference to FIG. 2.
Cette dernière schématise le raccordement du capteur selon l'invention à un dispositif de mesure. Le dispositif de mesure est celui utilisé de façon habituelle avec les thermocouples. Il comprend une référence de température 14 et un voltmètre enregistreur 15 qui est destiné à mesurer la tension VA-VB qui apparait entre les extrémités A et B des conducteurs 12 et 13. The latter shows diagrammatically the connection of the sensor according to the invention to a measuring device. The measuring device is the one normally used with thermocouples. It includes a temperature reference 14 and a recording voltmeter 15 which is intended to measure the voltage VA-VB which appears between the ends A and B of the conductors 12 and 13.
La feuille 8 soumise au flux thermique F atteint la température T1. La référence de température 14 est à une température T2 arbitraire. D'une façon classique, et si on considère que la température de la feuille est homogène et égale à T1 aux points C et D (ce qui est vérifié avec les conditions fixées précédemment), on a une différence de température T1-T2= (VA-VB)/H où H est le pouvoir thermoéléctrique du thermocouple constitué par les conducteurs 12 et 13. The sheet 8 subjected to the heat flow F reaches the temperature T1. The temperature reference 14 is at an arbitrary temperature T2. In a conventional way, and if we consider that the temperature of the sheet is homogeneous and equal to T1 at points C and D (which is verified with the conditions set previously), we have a temperature difference T1-T2 = ( VA-VB) / H where H is the thermoelectric power of the thermocouple constituted by the conductors 12 and 13.
La feuille joue donc le rôle de la soudure chaude entre les extrémités C et D du thermocouple (12,13) qui mesure la température de la face arrière 11 de la feuille. The sheet therefore plays the role of the hot weld between the ends C and D of the thermocouple (12,13) which measures the temperature of the rear face 11 of the sheet.
La faible épaisseur de la feuille permet d'obtenir des mesures de flux avec un temps de réponse très court. The small thickness of the sheet makes it possible to obtain flow measurements with a very short response time.
Si on note le flux thermique F (en Watt) reçu par la feuille, on peut écrire l'expression suivante définissant la variation de température de la feuille
dT/dt = (Ft/hSs)x Exp(-t/E)
dans laquelle:
h est un coefficient d'échange thermique entre la surface
S de la feuille et l'extérieur (exprimé en Watts/m2.K),
t est la constante de temps égale à mC/hS (m: masse de la feuille, C: capacité thermique massique du matériau de la feuille, S surface d'échange thermique de la feuille avec l'extérieur). If we note the heat flux F (in Watt) received by the sheet, we can write the following expression defining the temperature variation of the sheet
dT / dt = (Ft / hSs) x Exp (-t / E)
in which:
h is a heat exchange coefficient between the surface
S of the sheet and the outside (expressed in Watts / m2.K),
t is the time constant equal to mC / hS (m: mass of the sheet, C: mass heat capacity of the material of the sheet, S heat exchange surface of the sheet with the outside).
Lorsqu'on considère les premiers instants suivant l'application du flux thermique (instant t très inférieur à t), dT/dt est sensiblement égal à F/mC. La courbe donnant la température T en fonction du temps a donc une pente telle que aT = (F/mC).at
AT est dans cette expression la différence de température de la feuille mesurée à deux instants tl et t2.When we consider the first moments following the application of the heat flux (instant t much less than t), dT / dt is substantially equal to F / mC. The curve giving the temperature T as a function of time therefore has a slope such that aT = (F / mC) .at
AT is in this expression the difference in temperature of the sheet measured at two times tl and t2.
On considère également l'expression vue précédemment qui exprime la proportionnalité à un instant donné entre la tension électrique mesurée et la température: T1-T2 = AT -
V/H (où V exprime la tension mesurée et H le pouvoir thermoéléctrique du thermocouple).We also consider the expression seen above which expresses the proportionality at a given time between the measured electrical voltage and the temperature: T1-T2 = AT -
V / H (where V expresses the measured voltage and H the thermoelectric power of the thermocouple).
On déduit des formules précédentes le flux F = mC ssV/H At et la densité de flux F (où flux par unité de surface en
J/s.m2) est égale à
F = mCV/HSt
Si on écrit la masse de la feuille sous la forme:
m = epS (e étant l'épaisseur, S la surface et p la densité de la feuille)
on peut exprimer la densité de flux par:
F = (epC/H). AV/tt
On mesurera donc avec l'enregistreur 15 la tension aux bornes du thermocouple et on déterminera la pente ( AV/t) à l'instant correspondant à une forte variation de la tension mesurée ce qui permettra le calcul de la valeur du flux F. We deduce from the previous formulas the flux F = mC ssV / H At and the flux density F (where flux per unit area in
J / s.m2) is equal to
F = mCV / HSt
If we write the mass of the sheet in the form:
m = epS (e being the thickness, S the surface and p the density of the sheet)
we can express the flux density by:
F = (epC / H). AV / tt
The voltage across the thermocouple will therefore be measured with the recorder 15 and the slope (AV / t) will be determined at the time corresponding to a large variation in the measured voltage, which will allow the value of the flux F to be calculated.
En plus de son rôle de soudure chaude, la feuille permet donc, du fait de son inertie, la mesure d'un flux thermique. In addition to its role as a hot weld, the sheet therefore allows, because of its inertia, the measurement of a heat flux.
La faible épaisseur de la feuille garantit un temps de réponse extrêmement faible. The small thickness of the sheet guarantees an extremely short response time.
Le capteur selon l'invention est de coût réduit et particulièrement rustique, ce qui autorise des mesures lors d'essais destructifs. The sensor according to the invention is of reduced cost and particularly rustic, which allows measurements during destructive tests.
La figure 3 montre une courbe 16 représentant la tension
V en fonction du temps t, courbe enregistrée lors de la mesure du flux émis par un composant pyrotechnique.Figure 3 shows a curve 16 representing the voltage
V as a function of time t, curve recorded during the measurement of the flux emitted by a pyrotechnic component.
Au temps tl la tension mesurée augmente fortement ce qui correspond à l'application du flux thermique émis par le composant pyrotechnique. At time t1, the measured voltage increases sharply, which corresponds to the application of the heat flux emitted by the pyrotechnic component.
La courbe 16 présente une première zone 18 sensiblement linéaire. On trace une tangente 17 à la courbe 16, tangente sensiblement confondue avec cette première zone linéaire 18. Curve 16 has a first substantially linear zone 18. We draw a tangent 17 to the curve 16, tangent substantially coincident with this first linear area 18.
La pente AV/t de la tangente 17 permet le calcul du flux émis par le composant pyrotechnique. The slope AV / t of the tangent 17 allows the calculation of the flux emitted by the pyrotechnic component.
A titre d'exemple, une feuille de cuivre d'épaisseur 0.06 mm associée à un couple de conducteurs Chromel/Alumel (H=41 micro volts/C) a permis de mesurer des flux thermiques variant entre 5 et 400 Watts/cm2 et a pu enregistrer une variation de près de 50C en I milliseconde. For example, a 0.06 mm thick copper foil associated with a pair of Chromel / Alumel conductors (H = 41 micro volts / C) made it possible to measure heat fluxes varying between 5 and 400 Watts / cm2 and a could record a variation of almost 50C in I millisecond.
L'épaisseur et le matériau de la feuille seront choisis en fonction du temps de réponse souhaité. Une diminution du temps de réponse est ainsi obtenue en diminuant l'épaisseur de la feuille ou en choisissant un matériau ayant une plus faible capacité thermique. The thickness and material of the sheet will be chosen according to the desired response time. A reduction in the response time is thus obtained by reducing the thickness of the sheet or by choosing a material having a lower thermal capacity.
Le capteur selon l'invention peut être utilisé pour mesurer par exemple les flux thermiques à l'intérieur du tube d'une arme après le tir, le capteur sera alors disposé au niveau de la surface interne du tube. The sensor according to the invention can be used to measure, for example, the heat fluxes inside the barrel of a weapon after firing, the sensor will then be placed at the level of the internal surface of the barrel.
Le capteur selon l'invention peut également être utilisé pour mesurer le flux thermique à l'intérieur d'un propulseur de fusée ou de roquette. The sensor according to the invention can also be used to measure the heat flow inside a rocket or rocket propellant.
Claims (7)
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|---|---|---|---|
| FR9307410A FR2706610B1 (en) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | Heat flow sensor and associated measuring device. |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| FR9307410A FR2706610B1 (en) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | Heat flow sensor and associated measuring device. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2706610A1 true FR2706610A1 (en) | 1994-12-23 |
| FR2706610B1 FR2706610B1 (en) | 1995-08-11 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| FR9307410A Expired - Fee Related FR2706610B1 (en) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | Heat flow sensor and associated measuring device. |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| FR (1) | FR2706610B1 (en) |
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